Ku波段衛(wèi)星通信轉(zhuǎn)發(fā)器設(shè)計研究論文

　　摘要:論述了一種Ku波段衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā)器的實現(xiàn)方法與技術(shù)途徑,包括變頻單元和信道處理單元兩部分。對一些主要部件進行了簡要的理論分析,并給出微波電路仿真結(jié)果和設(shè)計形式,最后得出轉(zhuǎn)發(fā)器的測試結(jié)果。

　　關(guān)鍵詞：:Ku波段；衛(wèi)星通信；轉(zhuǎn)發(fā)器；自動增益控制

　　衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器是通信衛(wèi)星和中繼衛(wèi)星的核心,依據(jù)是否對轉(zhuǎn)發(fā)信號進行處理,可將轉(zhuǎn)發(fā)器分為“透明”轉(zhuǎn)發(fā)器和“處理”轉(zhuǎn)發(fā)器[1]。透明轉(zhuǎn)發(fā)器收到地面發(fā)來的信號,除進行低噪聲放大、變頻、功率放大外不做任何加工處理,它對工作頻帶內(nèi)的任何信號都是“透明”的通路;處理轉(zhuǎn)發(fā)器除了轉(zhuǎn)發(fā)信號外,還具有信號處理功能。星上的信號處理,主要包括對信號進行解調(diào)再生和其它的信號變換和處理,再就是在多波束通信中對信號進行星上切換和處理[2]。本文設(shè)計了一種用于中繼衛(wèi)星的全透明轉(zhuǎn)發(fā)器,依據(jù)不同用戶星的軌道需求,具有增益調(diào)節(jié)功能,可進行發(fā)射功率的調(diào)整。

　　1轉(zhuǎn)發(fā)器組成和指標(biāo)要求

　　Ku波段轉(zhuǎn)發(fā)器主要由變頻單元和信道處理單元兩部分組成,轉(zhuǎn)發(fā)器的變頻體制按其變頻次數(shù)可分為一次變頻和二次變頻。本文采用一次變頻體制,具有無頻譜倒置、集成度高、性能穩(wěn)定可靠、結(jié)構(gòu)簡單等特點。變頻單元和信道處理單元原理框圖分別如圖1和圖2所示。根據(jù)原理框圖,變頻單元主要由混頻模塊、本振放大模塊、中頻放大模塊和電源部分組成;信道處理單元主要由可變增益放大模塊、檢波增益控制模塊、驅(qū)動模塊和電源部分組成。

　　2關(guān)鍵電路設(shè)計與測試

　　2.1本振放大模塊設(shè)計

　　2.1.1匹配電路設(shè)計在源和負載之間插入一個無源匹配網(wǎng)絡(luò),可以使負載阻抗與源阻抗相匹配,從而實現(xiàn)最大的功率傳輸。在低頻頻段采用分立元件網(wǎng)絡(luò)就能實現(xiàn),而在射頻頻段,分立元件的寄生參數(shù)效應(yīng)就變得更加明顯,通常采用微帶線和微帶短截線等分布參數(shù)元件來代替分立元件而構(gòu)成匹配網(wǎng)絡(luò)[3]。2.1.2電路仿真優(yōu)化及測試設(shè)計選定放大器靜態(tài)工作點為Vds=2V,Ids=10mA,采用陶瓷基板,介電常數(shù)εr=9.8,基板厚度H=0.254mm。使用計算機輔助設(shè)計軟件ADS進行原理圖和版圖仿真,根據(jù)仿真結(jié)果可知放大器在整個工作頻帶內(nèi)絕對穩(wěn)定。經(jīng)過測試得到本振放大器在需要的信號帶寬內(nèi)增益大于20dB,增益波動小于±0.2dB,滿足設(shè)計要求。

　　2.2信道處理單元設(shè)計

　　Ku波段轉(zhuǎn)發(fā)器信道處理單元完成射頻信號的衰減、增益放大、限幅放大、功率檢波和功率衰減等功能,具有自動增益控制工作模式和線性放大工作模式。設(shè)計信道處理單元在自動增益控制工作模式時增益為30.5dB,線性工作模式時增益為23.5dB,增益變化如圖3所示。

　　2.3Ku波段腔體濾波器設(shè)計與測試

　　Ku波段腔體濾波器各諧振單元之間主要是通過磁場進行耦合。根據(jù)濾波器的通帶頻率選擇已知電磁場解的諧振單元,構(gòu)造單腔。實際濾波器中單個腔體的尺寸一致;再利用三維全波電磁仿真軟件AnsoftHFSS進行本征模分析,本征模式是結(jié)構(gòu)的諧振頻率,基于有限元算法的HFSS采用本征模式求解器求出該結(jié)構(gòu)的諧振頻率[4]。用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對濾波器進行測試,實測結(jié)果是帶內(nèi)插損＜2.5dB,回波損耗＜-20dB,-1dB帶寬＞50MHz,帶外抑制f0±200MHz＞50dBc,理論仿真與實測結(jié)果較吻合。3Ku波段衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器測試結(jié)果該轉(zhuǎn)發(fā)器已完成樣機研制,經(jīng)測試各項性能均達到或優(yōu)于指標(biāo)要求。測試數(shù)據(jù)如表1所示,滿足設(shè)計要求。

　　4結(jié)語

　　本文研制了基于微組裝工藝的高性能本振放大器、射頻濾波器、自動增益控制放大器和射頻濾波器等組件,實現(xiàn)了Ku/Ku射頻信號的頻譜搬移和信道處理,為進一步開展衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器工程化研制的積累了經(jīng)驗。

　　參考文獻

　　[1]周仲林,楊建軍.通信衛(wèi)星Ka波段轉(zhuǎn)發(fā)器技術(shù)的研究[J].電訊技術(shù),1997,(2):43-55.

　　[2]成躍進.Ka波段通信衛(wèi)星與Ka波段轉(zhuǎn)發(fā)器技術(shù)[J].空間電子技術(shù),2000,(2):20-31.

　　[3]程龍寶,趙濤,黃凱旋.深空探測X波段低噪聲放大器研究和設(shè)計[C].中國宇航學(xué)會深空探測技術(shù)委員會第八屆學(xué)術(shù)年會,2011,(10):434-438.

　　[4]peizhangwang,Guanglei.Up-converteranddown-converterdesignforS-Kuband.CJW2011,2011.

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